Published March 29, 2022 | Version v1
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Breathing motion correction in single photon emission computed tomography

Description

Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) is a medical imaging modality that allows to obtain the 3D distribution of a gamma-emitting tracer injected into the patient. It is particularly used in oncology for the diagnosis and localization of tumors. More recently, with the development of selective internal radiotherapy (SIRT), it has also become an important tool for the targeted treatment of cancer cells. In this case, the accuracy of the SPECT images influences the treatment received by the patient. As with other imaging modalities, respiratory motion creates blur and artifacts in the reconstructed images. The problem of respiratory motion has been studied in Positron Emission Tomography (PET) and cardiac SPECT but barely for other SPECT applications. The objective of this thesis is to develop methods to take into account respiratory motion for clinical SPECT systems and to study their influence on liver radioembolization. The first method proposed is a respiration-gated reconstruction. In this approach, a respiratory signal is automatically extracted from the measured projections and used to sort the measured projections in small temporal respiratory gated frames with minimal motion. Then, the sorted projections are reconstructed phase per phase yielding a series of motion-free volumetric images also called 4D SPECT image. However, the lower photon count in the projection data of each individual time frame compared to conventional reconstruction leads to SPECT images with a poorer signal-to-noise ratio. A second approach to compensate for respiratory motion while using all the available data was also developed. For this, the projections are sorted according to the respiratory signal as before but the motion is compensated before reconstruction. A 2D affine motion was estimated between projections at different phases. The transformation parameters were used to re-bin the list-mode data into one set of compensated projections that was then used to reconstruct a 3D motion-compensated SPECT image using all available events of the list-mode data. Each of these approaches was evaluated on simulated and real data. The real data came from SPECT acquisitions of a dynamic phantom but also from pre-treatment imaging of patients treated with liver radioembolization. Our methods showed an increase in the activity measured in the tumors compared to conventional 3D reconstructions. For radioembolization, the results suggest a possible benefit on treatment planning. This work also highlights the importance of the choice of the attenuation map for attenuation correction and segmentation of motion corrected images. Among the perspectives opened by this work we find the in-depth study of the attenuation correction for motion corrected images but also the application of our methods on other SPECT applications. (author)

Abstract (French)

La Tomographie par emission monophotonique (TEMP) est une modalite d'imagerie medicale permettant d'obtenir la distribution 3D d'un traceur radioactif emetteur de rayons gamma prealablement injecte dans le patient. Elle est notamment utilisee en oncologie pour le diagnostic et la localisation des tumeurs. Plus recemment, avec le developpement de la radiotherapie interne selective, elle est egalement devenue un outil important pour le traitement localise des cellules cancereuses. Dans ce cas, la justesse des images TEMP influe sur le traitement recu par le patient. A l'instar d'autres modalites d'imagerie, le mouvement respiratoire cree du flou et des artefacts sur les images reconstruites. La problematique du mouvement respiratoire a ete etudiee en Tomographie par emission de positon (TEP) et en TEMP cardiaque mais tres peu pour les autres applications TEMP. L'objectif de cette these est de developper des methodes de prise en compte du mouvement respiratoire pour des systemes TEMP cliniques et d'etudier leurs influences sur la radioembolisation du foie. La premiere methode proposee est une reconstruction synchronisee a la respiration. Dans cette approche, un signal respiratoire est automatiquement extrait des projections mesurees et utilise pour regrouper les projections correspondant a une meme position dans le cycle respiratoire. Chaque sous-ensemble est alors reconstruit independamment et une serie d'images 3D affranchies du mouvement respiratoire, aussi appelee image TEMP 4D, est obtenue. Neanmoins, la methode est limitee par l'augmentation du bruit dans chaque image en raison du nombre plus faible de photons dans chaque sous-ensemble de projections. Une deuxieme approche permettant de compenser le mouvement respiratoire tout en utilisant l'ensemble des photons detectes a egalement ete developpee. Pour cela, les projections sont triees en fonction du signal respiratoire comme precedemment mais le mouvement est compense avant la reconstruction. Un sous-ensemble de projections est choisi comme phase de reference et les autres sous-ensembles sont recales sur ce dernier. On obtient ainsi un jeu de projections correspondant a une phase du cycle respiratoire comportant tous les photons mesures. Ces projections sont utilisees pour reconstruire une uni que image 3D compensee du mouvement respiratoire. Chacune des approches a ete evaluee sur des donnees simulees et reelles. Les donnees reelles provenaient d'acquisitions TEMP d'un fantome dynamique mais aussi de l'imagerie de pre-traitement de patients traites par radioembolisation du foie. Nos methodes ont montre une augmentation de l'activite mesuree dans les tumeurs par rapport aux reconstructions 3D classiques. Pour la radioembolisation, les resultats suggerent un possible benefice sur la planification du traitement. Ces travaux soulignent aussi l'importance du choix de la carte d'attenuation pour la correction d'attenuation et la segmentation des images corrigees du mouvement. Parmi les perspectives ouvertes par ces travaux on retrouve donc l'etude approfondie de la correction d'attenuation pour les images corrigees mais aussi l'application de nos methodes sur d'autres applications TEMP. (auteur)

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Original title (French)
Correction du mouvement respiratoire en tomographie par emission mono-photonique

Publishing Information

Imprint Pagination
146 p.
Report number
FRNC-TH--15811

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Notes
[160 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses